节能技术在城市轨道交通车辆 牵引传动系统中的应用

来源：核心期刊咨询网时间：2019-10-25 10:3012

摘要：摘 要：牵引传动系统是城市轨道交通车辆的重要耗能系统，节能技术在牵引传动系统中的应用对于城市轨道交通未来的发展意义重大。通过结合城市轨道交通列车能耗仿真软件对车辆能耗构成进行分析，提出牵引传动系统的主要节能措施，并重点介绍碳化硅功率器件、永

　　摘 要：牵引传动系统是城市轨道交通车辆的重要耗能系统，节能技术在牵引传动系统中的应用对于城市轨道交通未来的发展意义重大。通过结合城市轨道交通列车能耗仿真软件对车辆能耗构成进行分析，提出牵引传动系统的主要节能措施，并重点介绍碳化硅功率器件、永磁同步牵引传动、中高频大功率 DC-DC 辅助变流和 DC600V直流供电等节能技术的现状和应用特点，以期为节能技术在城市轨道交通牵引传动系统中的应用提供参考和借鉴。

　　关键词：城市轨道交通;牵引传动系统;节能技术;碳化硅功率器件;永磁同步牵引电机;中高频大功率辅助变流;DC600V直流供电

　　推荐阅读：《智能建筑与智慧城市》(月刊)创刊于1994年，由中国勘察设计协会主办。国家级刊物。交流智能建筑设计的经验，宣传系统集成商的理想。

　　0 引言

　　城市轨道交通不仅具有安全、高速、准时、可计划以及大运量等特点，还有助于节能减排，建设资源节约、环境友好型社会。虽然，按同等运能比较，轨道交通的能耗比其他交通工具小，但由于其大运量的特点，其总耗电量仍相当大，依然有节电潜力。

　　城市轨道交通车辆牵引传动系统是一个包括高压电气回路、牵引变流系统、辅助变流系统和接地回路等子系统的复杂系统。牵引能耗在城市轨道交通车辆总能耗中占主要部分。新一代功率器件和新型电机的应用为提升牵引传动系统能效提供了基础条件，新的拓扑和控制方法则有助于最大限度地实现小型轻量化设计。因此，在设计和制造此系统时，应把握高效、智能化、小型轻量化的发展方向，综合分析各子系统相关的节能技术，把节能分析、节能设计、节能管理紧密结合起来，从而达到提高综合能效指标的目的。

　　1 城市轨道交通车辆能耗构成

　　电能消耗是城市轨道交通系统运营过程中能源消耗的主要形式，主要包括列车运行牵引能耗以及车站动力照明设备能耗。列车运行牵引能耗即列车运行所消耗的牵引电能，主要包括车辆牵引系统和辅助系统能耗。根据对城市轨道交通的用电负荷统计分析，牵引系统能耗占城市轨道交通车辆运营能耗的40%～50%。

　　定量分析城市轨道交通车辆的能耗影响因素、评估能耗大小、找出节能突破点，对降低城市轨道交通车辆运输成本、提升能源利用率、提高经济效益以及维持可持续发展都有很现实的意义。为此，中车青岛四方车辆研究所有限公司研究团队(以下简称“研究团队”)开展了城市轨道交通列车能耗成因及机理的研究，并进行了能耗仿真软件的开发。该软件以城市轨道交通车辆动力学模型和各部件主要参数作为模型计算主体，输入车辆基本情况和运行工况，输出系统能耗计算结果和各部件综合能量效率，其结构框架如图1所示。该软件通过计算不同种类城市轨道交通车辆在不同运行工况条件下所受的合力，进而计算在固定速度工况条件下的功率需求及能量消耗，同时通过对各部件输入及输出功率进行积分计算得到各部件的能量效率，为城市轨道交通列车动力系统能耗评价提供仿真计算依据。因此，上述能耗仿真软件可在一定程度上指导系统设计和设备选型，优化整车及关键系统设计。

　　为了验证该能耗仿真软件的合理性和可行性，将重庆地铁10号线列车的相关信息输入到仿真软件中，并将仿真结果与列车在实际单程运行工况下的能耗进行对比分析，结果如图2所示。从图2中可以看出，牵引能耗仿真结果与实际牵引能耗变化趋势一致。在上述实际单程运行过程中，牵引能耗仿真结果为580 kW · h，实际牵引能耗为540 kW · h，仿真结果与实际数值的偏差为7.41%，证明仿真软件能够较好地反映城市轨道交通列车的牵引能耗水平。

　　此外，该软件能够仿真计算出城市轨道交通车辆运行能耗的组成部分及分布情况，如牵引系统损耗、列车运行阻力损耗、辅助系统能耗等，如图3所示。由仿真结果可知，牵引系统损耗和辅助系统能耗总和约占整个车辆能耗的70%，列车制动损耗约占15%，所以提高牵引和辅助设备能量转换效率，降低制动损耗是车辆节能的最有效途径。

　　2 牵引传动系统节能措施

　　牵引传动系统是城市轨道交通车辆的主要耗电设备，由高压电气回路、牵引变流系统、辅助变流系统和接地回路等子系统组成。牵引变流系统负责将直流供电电源转换为用于驱动电机的交流变频电源，辅助变流系统负责将直流供电电源转换为用于车辆空调、照明的工频电源，两者是整个车辆能量转换的重要组成部分，所以提高这两大系统关键设备的能量转换效率是节能的关键。

　　2.1 碳化硅(SiC)功率器件的应用

　　近年来，随着以SiC为代表的宽禁带半导体材料制备及生产工艺的迅速发展，高电压、大电流的SiC功率半导体器件逐渐投入市场，以美国CREE公司为代表的企业已推出各种电压等级的SiC功率器件。SiC功率器件具有耐高温、耐高压、工作频率高等特性，可提高车辆牵引变流器和辅助变流器的效率，减小其工作噪声，并能够通过提高整机功率密度实现减轻整车质量和节能的目的。

　　目前商业化SiC功率器件的优点主要体现在开关损耗、开关频率和温度特性上。图4为SiC功率器件与传统硅(Si)功率器件开关电流的对比波形。试验结果表明，SiC功率器件在开关损耗上有明显优势，尤其是二极管反向恢复损耗。此外，相比Si功率器件，SiC功率器件的开关损耗热稳定性更好，其开通和关断损耗并不会随着器件结温的变化而显著变化，如图5所示，这一特点非常有利于提高变流器的热稳定性。

　　在变流器的设计中，应用SiC功率器件不但可以降低系统功率损耗，而且可以通过提高开关速度优化磁性材料的应用特性，减小磁芯元件的尺寸和质量，并降低直流支撑电容的容值。系统功率损耗的减小也降低了对散热部件的要求，因此允许使用更小的散热器和风机，甚至取消风机，从而实现设备组件及设备的小型化、轻量化。但由于SiC功率器件的价格较高，在实际应用中要综合考虑各种设计因素，以实现系统的最优配置。

　　研究团队以某有轨电车牵引系统(车辆采用DC750V電源供电)的技术指标为设计目标，分别开发了应用Si和SiC半导体开关器件的牵引和辅助变流器。牵引变流器的额定工作容量360 kVA，输出电压0～

转载请注明来自：http://www.qikan2017.com/lunwen/lig/14729.html